67. Стабильные и радиоактивные ядра, типы ядерных превращений, схемы распада, явление внутренней конверсии, электроны конверсии. Законы радиоактивных превращений.

Радиоакти́вный распа́д — спонтанное изменение состава нестабильных атомных ядер (заряда Z, массового числа A) путём испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов. Процесс радиоактивного распада также называют радиоакти́вностью, а соответствующие элементы радиоактивными. Радиоактивными называют также вещества, содержащие радиоактивные ядра. Радиоактивны все химические элементы с порядковым номером, большим 82 (то есть начиная с висмута), а у некоторых элементов, таких как индий, калий или кальций, часть природных изотопов стабильны, другие же радиоактивны.

Стабильные ядра - это такие ядра, для которых спонтанный распад и превращения являются энергетически невозможными. В реально существующих стабильных ядрах обычно число нуклонов одного сорта находится в определенном соотношении с числом нуклонов другого сорта.

Стабильные ядра с четным массовым числом и четным зарядом ядра все имеют, повидимому, спин, равный нулю. Для ряда элементов это можно установить непосредственно наблюдением над полосатыми спектрами, у которых в этом случае выпадает каждая вторая линия.

Основные типы ядерных превращений:

1) Альфа-распад. При альфа распаде излишек энергии из ядра уносится с альфа-частицей, которая представляет собой ядро гелия. Энергия оставшегося ядра меньше чем исходного

ZХА → Z-2YА-4 + 2Не 4

Альфа распад характерен для тяжёлых ядер с массовым числом более 200. Эн., к-ую получает альфа частица складывается из эн. состояния в к-ом образ-ся дочернее ядро и эн к-ая выделилась при разделении материнского ядра. Если при альфа распаде дочернее ядро попадает в возбуждён состояние, в дальнейшем происходит излучен γ – кванта, с к-ым уходит избыточная эн-ия, а ядро переходит на более низкий эн-ий уровень.

2) Бета-распад ‑ радиоактивный распад, сопровождающийся испусканием из ядра электрона и антинейтрино. Различают три типа β-распада: электронный, позитронный и захват орбитального электрона атомным ядром. Последний тип распада принято также называть К-захватом

β(-)- из ядра вылетает электрон и антинейтрино(0ν 0)/, образуется дочернее ядро с зарядом +1.

ZХА → Z+1YА + е + (0ν 0)/

β(+)- (позитроный распад) - заряд –1, из ядра вылетает позитрон и нейтрино (0 ν 0).

ZХА → Z-1YА + р + 0ν 0

Нейтрино и антинейтрино не обладают массой покоя, зарядом, отлич-ся спиральностью, обладают огромной проницаемостью.

к- захват – превращение протона в нейтрон, материнское ядро получает электрон, выделяется нейтрино, заряд дочернего ядра –1.

ZХА + е → Z-1YА + 0ν 0

β- аналогичен экзотермич эффекту, т.е. не треб-ет дополнит эн-ии, доп-ся у естествен и искуствен изотопов.

β+ и К-захват треб-ют дополнит эн-ии, поэтому характерны только для искуствен изотопов

3) Гамма-излучение.

Масса гамма кванта = 0. Представляет жёсткое электромагнитное излучение. Они не явл-ся самостоят видом радиоактивного распада, а явл-ся осн формой уменьшения эн-ии дочернего ядра. Для них хар-ны з-ны оптики, их невозможно изучать обычными физ–хим методами. Об их наличии судят по вторичным эффектам.

Внутренняя конверсия - явление, при котором энергия γ-перехода ћω из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией в результате электромагнитного взаимодействия передаётся одному из электронов атомной оболочки, который при этом вылетает из атома (конверсионный электрон). Кинетическая энергия конверсионного электрона Т определяется энергией γ-перехода ћω и энергией связи электрона в атоме Ece T = ћω - Ece.

Электроны внутренней конверсии могут вылетать из различных оболочек атома: K, L, M и т.д. Чаще всего конверсионные электроны вылетают из ближайшей к ядру K-оболочки. В отличие от β-распада конверсионные электроны имеют дискретный спектр энергии.

Закон радиоактивного превращения: для каждого радиоактивного ядра имеется определенная вероятность λ того, что оно испытывает превращение в единицу времени. Следовательно, если радиоактивное вещество содержит N атомов, то количество атомов dN, которое претерпит превращение за время dt, будет равно: dN = -λNdt . В этом математическом выражении — постоянная распада, кот. хар-етвероятностьрадиоакт-го распада за ед. времени и имеющая размерность с−1. Знак минус указывает на убыль числа радиоак-х ядер со временем.

68. Основные радиоактивные изотопы. Радиоактивные ряды. Космогенные изотопы. Свойства естественных нестабильных изотопов. Источники искусственных изотопов. Свойства искусственных нестабильных изотопов.

Изотопы – ядра, с одинаковым зарядовым числом, но с разным массовым. Или изотопы - разновидности атомов (и ядер) одного химического элемента с разным количеством нейтронов в ядре. Символично изотоп записывают в виде:

Большинство известных изотопов радиоактивны. Все известные изотопы всех элементов, которые в таблице Менделеева идут после свинца, радиоактивны. Выделяют радиоактивные в-ва естественного и искусств происхождения. Радиоактивные вещества естественного происхождения, содержащиеся в виде газов и аэрозолей в атмосфере. Это: 1) изотопы радона, газообразные продукты распада радия, тория и актиния, диффундирующие через почвенные капилляры в атмосферу, и ряд радиоактивных изотопов, являющихся продуктами их распада в атмосфере; 2) радиоактивные изотопы, поступающие в атмосферу с пылью земного происхождения (уран, радий, торий), а также при испарении брызг морской воды (радиоактивный калий); 3) радиоактивные изотопы алюминия, бериллия, кальция, попадающие в атмосферу с космической пылью, метеоритами и тектитами; 4) радиоактивные изотопы, образующиеся непосредственно в атмосфере при взаимодействии нейтронов космического излучения с ядрами атомов химических элементов воздуха (изотопы бериллия, трития, углерода, фосфора, серы, хлора, натрия и др.)

Космогенные изотопы - радиоизотопы, происхождение которых обусловлено космическим излучением, используются для определения магнитной активности и с большой вероятностью для определения солнечной активности. Радиоизотопы искусственного происхождения получаются в ядерных реакторах. Среди них выделяют стабильные изотопы, которые существуют в неизменном виде неопределенно долго, и нестабильные (радиоизотопы), которые со временем распадаются.

Радиоактивные изотопы— изотопы, ядра которых нестабильны и испытывают радиоактивный распад. Часто продуктами распада явл. радиоакт. ряды. Н-р, радиоактивные ряды природных тяжелых изотопов U²³², U²³⁵, Th²³². Многие изотопы могут распадаться по нескольким каналам. В результате конкуренции возникают разветвления радиоак-ых превращ. Для природных изотопов характерны разветвления, обусловленные α- и β-распадов. У нейтронодефецитных ядер наблюд конкуренция β+ распада и электронного захвата. Для многих изотопов с нечетным Z и четным А энергетически возможны 2 противоположных варианта β- распада: β- распад и электронный захват или β- или β+ распады.

Радиоактивные ряды (семейства) – группа генетич связанных радиоакт-х изотопов, в к-ых каждый послед. изотоп возникает в рез-те α- или β-распада предыдущего. Каждый ряд имеет родоначальника- изотоп с наибольшим периодом полураспада Т_1/2. Завершают ряд стабильные изотопы. Выделяют три естественных радиоактивных ряда и один искусственный.

Естественные ряды:ряд тория (4n) — начинается с нуклида Th-232;ряд радия (4n+2) — начинается с U-238;ряд актиния (4n+3) — начинается с U-235.Искусственный ряд:ряд нептуния (4n+1) — начинается с Np-237.

Радиоизотопы широко применяются в научных исследованиях в качестве изотопных индикаторов (меток) и в самых разных областях науки и техники в качестве источников радиоактивных излучений. Они используются в медицине (диагностика, лучевая терапия).

69. Cв-ва изотопов цезия и стронция. Пробоподготовка. Получение сверхтяжелых эл-тов.

ЦЕЗИЙ Cs(112-151), хим. элемент 1-й (Ia) группы. Атомный номер 55. Т плавления составляет 28,4°С, кипения – 670°С. Относится к VI периоду – очень хим. активен. Обладает низкими механич. свойствами. По внешнему виду – золотисто-желтый металл. Степень окисления +1. Наиболее распространен Cs-133. Основное значение имеет Cs-137 – β-излучатель. Образуется при делении ядер атомов тяжелых элементов в ядерных реакторах (поэтому содержится во всех объектах окруж. среды), в ускорителях заряженных частиц. Исп. для рад. стерилизации, в радиобиологических и хим. исследованиях как индикатор.

Основной источник поступления цезия в организм человека - загрязненные нуклидом продукты питания животного происхождения. Основным источником радиоцезия для населения Беларуси до чернобыльской аварии были молочные и зерновые продукты, а после аварии – молочные и мясные.

Стронций -90 — чистый бета-излучатель с периодом полураспада 28,9 лет. При распаде он образует дочерний радионуклид ⁹⁰Y с периодом полураспада 64 ч. Как и ¹³⁷Сs, ⁹⁰Sr может находиться в растворимой и нерастворимой в воде формах.  Исторически сложилось так, что в радиационной гигиене уделяется много внимания этому радионуклиду. Во-первых — на стронций-90 приходится значительная часть активности в смеси продуктов ядерного взрыва, во-вторых — ядерные аварии. И, наконец, особенности поведения этого радионуклида в организме человека. Практически весь попавший в организм стронция-9О центрируется в костной ткани. Объясняется это тем, что стронций — химический аналог кальция, а соединения кальция — основной минеральный компонент кости. В организм стронций-90 поступает только с пищей, причем в кишечнике всасывается до 20% от его поступления. После аварии на чернобыльской АЭС вся территория со значительным загрязнением стронцием-90 оказалась в пределах 30- километровой зоны. Большое количество стронция-90 попало в водоемы, но в речной воде его концентрация нигде не превышала предельно допустимой для питьевой воды (кроме реки Припять в начале мая 1986 г. в ее нижнем течении). Пробоподготовка- минерализация образца. Применяется в производстве радиоизотопных источников тока в виде титаната стронция.

Получение тяжел. эл-тов.

После U образуются трансураны (искуств.изотопы). Трансураны были синтезировали в реакциях последовательного захвата нейтронов ядрами с последующим -распадом, что приводило к увеличению Z. Новые нуклиды выделяли и идентифицировали радиохимическими методами с последующим измерением свойств радиоактивного распада.

Последним элементом (1955 г.), который удалось синтезировать американцам с использованием традиционных методов был элемент 101, названный менделевием. При бомбардировке мишени из эйнштейния (Z=99), содержащей всего 109 атомов, ядрами гелия (Z=2) были зафиксированы 9 атомов 256Мd. Это был предел. Дальнейший прогресс мог быть достигнут только в реакциях с тяжелыми ионами, позволявшими увеличивать заряд и массу ядра-мишени скачком на десятки единиц. Но это требовало создания ускорителей нового типа, и соответственно, мощных источников многозарядных ионов. Существенно изменялась и сама методология физического эксперимента. Итогом этих 40-летних исследований явился синтез новых элементов с атомными номерами Z=102-116.

70 а)Совр-ные и трад-ные методы выделения и разделения радионуклидов. б)Взаимодействие заряженных частиц с веществом. в)Ионизационные и радиационные потери, ослабление потока излучения, формула Бете, особенности взаимодействия быстрых и тяжелых частиц, тормозное характеристическое излучение, переходное излучение Вавилова-Черенкова).

А)Радионуклиды – радиоактивные атомы с данным массовым числом и атомным №, а для изомерных атомов – и с опред-ным энер-ким состоянием атомного ядра.

Основнынметодами выделения, разделения радиоактивных изотопов: соосаждение; экстракция; хроматография; электрохимическое выделение; метод Сциларда - Чалмерса. другие методы (метод отгонки и выщелачивание)

1) Соосаждение. Основывается на захвате радиоэлементов готовыми или образующимися осадками. Радиоактивные элементы, находясь в растворе в микроколичествах, не могут образовывать самостоятельной твердой фазы при действии различных осадителей, так как при столь малых конц-циях не достигается ПР их труднорастворимых соединений, поэтому применяют носители, образующие тв фазу и увлекающие в осадок микрокомпонет – процесс соосаждением (пути ‑ совместная кристаллизация (сокристаллизация) микрокомпонента с макрокомпонентом или адсорбция) микрокомпонента на поверхности осадка носителя.

2) Экстракция ‑ процесс извлечения одного или нескольких элементов или их соединений из одной жидкой фазы в другую, не смешивающуюся с первой.

Одной из фаз в экстракционных системах является вода или водный раствор, который может содержать вещества, способствующие полному переходу экстрагирующего вещества во 2-ую фазу и добавляемые либо для создания определ рН, либо в качестве комплексообразователей либо высаливателей .

Экстрагенты (орг-кое соединение, при участии которого осуществляется экстракция) ‑спирты, кетоны, простые и сложные эфиры, амины, алкилфосфорные и карбоновые кислоты, хелатообразующие вещества и др.

Сущность метода: что при опред. условиях отдельные элементы в виде солей или иных соединений могут в заметных количествах переходить из водного раствора в несмешивающийся или ограниченно смешивающийся с водой органический растворитель, отделяясь при этом от других элементов.

3) Различные методы хроматографии широко исп-тся для выделения радиоактивных элементов, разделения сложных смесей радиоактивных веществ. 4)Электрохимические процессы -  превращение веществ на границе разделения фаз: проводник первого рода (металл), проводник электричества второго рода (раствор), происходящие с участием свободных электронов. Радиоактивные элементы м.б. выделены в виде металла на катоде или в виде окислов на аноде.

5) Если же радиоактивный изотоп получен по ядерной реакции, идущей без изменения заряда ядра (в р-тате ‑ изотоп того же элемента), обычные хим. методы для разделения здесь непригодны. Например: Al (n, ) Al, Al (n,2n) Al , Al (, n) Al. В этом случае отделение изотопа от мишени основывается основываться на эффекте отдачи. Так как атом, испытавший отдачу, обычно входит в состав той или иной молекулы, то энергия, которую он приобрел в первое мгновение, далее распределяется между этим атомом отдачи и остальной частью молекулы. После ядерного превращения атом начинает двигаться, причем часто он увлекает за собой и всю остальную часть молекулы. В начальный период движение атома отдачи и остальной части молекулы происходит с разными скоростями, при этом изменяется длина, а, следовательно, и энергия связи. Часть энергии отдачи переходит в энергию возбуждения. Если энергия возбуждения оказывается выше энергии связи, то молекула диссоциирует. На этом явлении основан метод отделения радиоактивного изотопа от материала матрицы.

6) Метод отгонки. Некоторые изотопы могут быть избирательно выделены из смесей путем перевода их (после добавления соответствующих носителей) в легко летучие соединения и последующей отгонки. Например, изотоп ¹⁰⁶Ru отделяют от смеси продуктов деления урана отгонкой в виде RuО₄, а ¹³¹J в виде J₂. Метод отгонки особенно эффективен, когда для близких по свойствам элементов можно получить различные по летучести соединения.

7)Выщелачивание ‑ процесс извлечения радиоактивных изотопов из твердых веществ путем обработки их подходящими растворителями; применяется в том случае, когда радиоактивный элемент входит в состав соединения, более легко растворимого чем основное вещество. Экспрессным методом при обработке мишеней, содержащих короткоживущие изотопы.

Б) Заря́женная части́ца — частица, обладающая эл-ким зарядом. (элементарные частицы (бета-частицы), атомы, молекулы (ионы) и многоатомные комплексы (пылинки, капли)). Прохождение заряженной часицы через в-во.

1.Причиной потерь энергии зар-ной частицей при прохождении через вещество являются: А) столкновения ее с атомами этого вещества ; Б) радиационное торможение (при рассеянии заряженной частицы кулоновским полем ядра или электрона эта частица получает ускорение, что в приводит к ЭМИ Возникает непрерывный спектр -лучей -- тормозное излучение).

В) Заряженные частицы: альфа и бета-излучение радиоактивного распада, ускоренные электроны и положительно заряженные ионы (протоны, дейтоны, заряженные осколки деления ядер урана и т. д.), - теряют энергию в среде за счет ЭМ взаимодействия с эл-ыми оболочками молекул, приводящего к их ионизации и возбуждению (ионизационные потери), а также в результате взаимодействия с кулоновским полем ядер и электронов, при котором инициируется тормозное рентгеновское излучение( радиационные потери). Для нерелятивистских тяжелых заряженных частиц средние ионизационные потери энергии на ед длины пути описываются формулой Бете: (1), где: Е - нач кинетическая эн частицы, х - координата в направлении движения частицы; z и е - заряд частицы и электрона, m - масса покоя электрона, V_o - начальная скорость частицы, Z - ат № среды, А - ат масса среды, ρ - плотность среды, N_o - число Авогадро, I - средний потенциал возбуждения (геометрическое среднее всех потенциалов возбуждения и ионизации молекул среды). Формула справедлива, когда Е<<Mc² ( M - масса покоя частицы, с - скорость света ) и 2πZ/137 << V_o/c . В=ln (2mV₀²/I) - тормозное числом и f=N₀ (Z/A) - эл плотность среды.

Для ускоренных нерелятивистских эл-ов :

Анализ формулы Бете: 1) параметр (- dE/dx)_ion резко возрастает с уменьш скорости частицы, 2) при одинаковой энергии (- dE/dx)_ion для легких частиц меньше, чем для тяжелых, а глубина проникновения в в-во значительно больше. В случае эл-ов отношение радиационных потерь к иониз-ым сост: (- dE/dx)_rad/(- dE/dx)_ion = E Z/800,

где: Е - начальная эн эл-ов, МэВ; Z - атомный № среды. Для электронов ионизацпотери пропорциональны Z² и почти пропорц-ны начальной энергии Е.

При высоких энергиях ‑ радиационные потери. С уменьшением энергии – ионизационные потери. При некоторой критической энергии (Е_с), ионизационные и радиационные потери = ( зависит от природы в-ва). Радиационные потери ‑ при ускоренном движении свободной заряж частицы в элект поле ядра. Пролетая в окрестности ядра, заряженная частица отклоняется от своего первоначального направления движения под действием кулоновской силы, связанной с массой заряж частицы и ее ускорением в2-ым законом Ньютона. Свободный заряд, движущийся с ускорением, излучает ЭМ волны, энергия которых пропорциональна квадрату ускорения. Радиационные потери преобразуются в тормозное излучение, появляющееся из-за торможения заряж частиц в эл поле ядра или при движении электронов по круговым орбитам в ускорителях электронов - бетатроне и синхротроне (бетатронное и синхротронное излуч). Полные потери энергии на единице пути заряженной частицы равны сумме ионизационных и радиационных потерь: (- dE/dx)_полн = (- dE/dx)_rad + (- dE/dx)_ion . Сильное (или ядерное) взаимодействие (для тяж частиц)– наиб интенсивное из всех видов взаим-вий, обуславливает прочную связь между протонами и нейтронами в ядрах атомов. Характеристическое – фотонное излучение, испускаемое при изменении энерг состояния атома; тормозное – фотонное излучение, испускаемое при изменении кинет энергии заряж частиц (ИИ).Излучение Вавилова-Черенкова  ‑ возникает, когда быстрая частица ("снаряд") испытывает столкновение или проходит через среду, состоящую из большого числа атомов или молекул, т.е. через обычное вещество. В-во м замедлить распр-ние ЭМ волн, уменьшить их скорость, которая станет < скорости ЭМ волн в вакууме (<300 000 км/сек). Частицы м. им теперь скорости, больше, чем скорость ЭМ волн в среде (но < скорости света в вакууме), явля.otqcz предельной скороcтью для частиц.. Если частица имеет скорость, > скорости ЭМ волн в среде, то поле частицы как бы не поспевает за ней, и должно оторваться от частицы( излучиться).

71 Хар-ка и клас-ция нейтронов. Основные закономерности их поведения в в-ве. Прохождение гамма-квантов через в-во: фотоэффект, эф-т Комптона, томпсоновское рассеяние, обр-е електронно-позитронных пар.

Нейтрон не обладает электр. зарядом и связан в атоме ядерными силами (малый радиус действия и большая сила). Нейтроны по энергии принято делить на гр: ультрохолодные ( эн меньше 10 ^–7 эВ), холодные ( эн меньше 10 ^–5 эВ), тепловые (эн 0,025-0,1 эВ)- находящиеся в тепловом равновесии с ядрами среды, надтепловые (эн 0,1эВ-0,5 кэВ), промежуточные(эн 0,5 кэВ-0,2 МэВ), быстрые (эн 0,2 -20 МэВ), сверхбыстрые ( эн более 20 МэВ).

Первые два отлич-ся большой проницаемой способностью. Для последних двух характерно упругое и неупругое взаимодействие.

Для нейтронов с эн более 300 МэВ наблюдается т.н. скалывание (при взаимод. нейтрон не измен-ся, а остальное разрушается). Упругое взаимод-ие, нейтроны попадают в атом и упруго рассеиваются на ядре. Неупругое – различного рода ядерн р-ции поглощен нейтронов (n;γ), (n;n΄),(n;α),(n;β), (n;p),(n;2n). Вероятность протекания каждой реакции определяется микроскопическим сечением – это воображаемая сфера вокруг ядра, пересекая к-ую нейтрон может вступать в ядерную р-цию. Микроскопич сечение и их послед-ть опред-ся эл-ом. Для макрообразцов взаимод-ие с нейтронами опред-ся макроскопическим сечением – опред-ся умножением микроскопич сечения на плотность среды. При упругом взаимод-ии нейтрон будет передавать часть энергии ядру, ядро возбуждается. Доля передаваемой энергии опред-ся массой ядра и эн-ей нейтрона. При упругом взаимод-ии вып-ся з-н сохранения импульса и эн-ии; доля передаваемой энергии ядру: I=4mMя/(m+Mя)²

Типы реакций с участием нейтронов:

(n;γ) – радиационный захват. Типичный процесс ₁Н¹ + n→ дейтерий.

(n;n) – упругое рассеяние

(n;n΄) – неупругое рассеяние. Энергия налетающего электрона д.б. больше 0,1 МэВ. По окончании р-ции ядро в возбуждённом состоянии, к-ое снимается за счёт испускания гамма-квантов.

(n;p) – энергия нейтрона более 1 МэВ.

(n;α) - энергия нейтрона более 1 МэВ.

(n;2n),(n;3n)Реакция размножения. F 19→ F 18 Данная р-ция, когда энергия нейтрона более 10 МэВ

Взаимодействие гамма-кванта с веществом. Для гамма-квантов с энергией до 10 МэВ:

- фотоэффект (фотоэл-ое поглощение) – происходит поглощение гамма-кванта в-ом (атомом), вся энергия гамма-кванта передается е^- и если переданная энергия больше энергии связи, то е выбивается из атома. Потеряв е нейтральн атом в ион. Хар-но для гамма-квантов с эн-ей до 0,1 МэВ

- когерентное рассеивание (эффект Томсона). Заключ-ся в изменении траектории движения гамма-кванта под действием атома. Хар-но для гамма-квантов с небольшой эн-ей.

- некогерентное рассеивание (эффект Комптона). Хар-но для гамма-квантов с эн-ей 0,1-5 МэВ. Гамма-квант попадает в е^- (упругий удар) затрачивая часть эн. в рез-те происходит ионизация, е^- выбивается, гамма-квант изменяет направлен движения, т.е. выбывает из пучка с меньшей эн-ей.

- обра-ие n-р пар. Хар-но для гамма-квантов с эн-ей более 1,02 МэВ . Гамма-квант попадает в поле действия атома и превращается в n-р пару. Атом играет роль частицы отдачи, т.е. поглощает оставшуюся эн. Гамма-квант преодолевает кулоновские силы возд-ет на ядро и происходит взаимопреобразование элементарн частиц (n,р).